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[科技前沿] 开放世界机器学习:探索未知与适应变化的智能之旅

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  • TA的每日心情
    开心
    2020-4-8 10:45
  • 签到天数: 227 天

    [LV.7]分神

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    楼主
     楼主| 发表于 2024-11-28 12:54:11 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
    本帖最后由 xiejin77 于 2024-11-28 15:46 编辑 $ K% O# [( L# k7 d: }

    0 w- z! W5 T5 R/ o9 _" f继续之前的一些人工智能相关的介绍,今天我们来探讨一个非常有趣而且前沿的话题——开放世界机器学习(Open-world Machine Learning, OWL)。这不是电影里的场景,而是我们生活中机器学习应用的一个重要发展方向。让我们从头说起,带你们进入这个神奇的世界。
    8 `( f. \5 W, \( ~- q7 z1 D2 K( e
    在传统的机器学习模型中,我们常常假设所有可能的类别在训练阶段都是已知的,这被称为封闭世界假设。这种假设在早期的图像分类、语音识别等任务中效果不错,因为我们可以提前将所有可能的类别都喂给模型。但现实世界可不是这么简单,新的物体、新的情况总是不断出现。这就引出了开放世界机器学习(OWL)的概念,OWL的目标是让机器学习模型在面对未知情况时,不会慌乱,而是能做出合理的响应。) g. G0 Z7 \* u

    # D" s+ G6 }* }OWL可以分为三个关键部分:未知拒绝(Unknown Rejection, UR)、新类别发现(Novel Class Discovery, NCD)和类别增量学习(Class-Incremental Learning, CIL)。2 F0 ?# D7 g& a

    ' }0 x4 O) Y( ~; N未知拒绝$ Z3 R6 j$ `$ F4 l3 i9 N
    首先,未知拒绝是OWL中的一个核心概念,当模型遇到无法确定的输入时,它会选择拒绝这个输入,而不是胡乱猜测。这就像是当你面对一道不会的题时,选择不答而不是乱选一个答案。举个例子,在自动驾驶领域,如果车辆识别到一个从未见过的交通标志,它不会盲目做出反应,而是会减速或停车,确保安全。未知拒绝技术的关键在于评估预测的不确定性,模型需要不仅有高准确率,还要有自我怀疑的能力。( d$ V- ^- e; t( `$ {: q, B
    1 w/ N( g& d# H  L  k# e. b) R
    目前的未知拒绝技术包括以下几种方法:
    4 }" v! d0 D% s
    " D, h. p4 H$ A- J基于置信度的拒绝:这种方法依赖于模型输出的置信度分数。当模型对某个输入的预测置信度低于某个阈值时,该输入被视为未知并被拒绝。
    ) i6 J: ]- n* x/ S. d
    ; I0 O0 Y( B- [) N4 X能量分数:在能量模型中,输入数据被赋予一个能量值,该值反映了数据与模型训练分布的一致性。能量值异常高的输入被认为是未知的。
    / D7 w. H2 J7 p% f6 ?
    % b3 M* G, I6 J! t- e最近邻距离:通过计算输入数据与训练集中最近邻样本的距离,如果距离超过某个阈值,则认为该输入是未知的。" K7 R* J( Z7 a9 T* T5 M
    # k; i( V2 I) l* F
    这些方法帮助模型在面对未知数据时做出合理的判断,确保模型在未知类别出现时不会过自信地做出预测。
    1 E8 B1 K' ?  v+ F3 M7 X' ]7 t; j& T- Q/ ?
    新类别发现
    & Q6 A* O5 }$ B+ {接着,新类别发现是OWL的另一个重要任务,它旨在让模型能够识别出这些新出现的类别,并学习它们。这就像人类在生活中不断学习新事物一样。比如,医疗诊断系统可以通过分析大量新病例的数据,自动发现并学习新的疾病特征。新类别发现的方法包括:2 H- X- L3 X3 l* u( K

    5 r  t5 p5 [% \+ l- ]4 H基于原型的方法:这类方法通过在特征空间中寻找代表新类别的原型或中心点。这些原型可以是基于聚类的结果,也可以是通过学习得到的类别中心。
    " d, c3 k5 S# ~! F& E  @) `' }# k5 q& P4 _
    基于聚类的方法:这些方法利用聚类算法来识别数据中的自然分组,并将这些分组作为潜在的新类别。聚类算法需要能够处理高维数据,并且对噪声和异常值具有鲁棒性。7 ?+ C! D1 e/ o, R+ x; k. z  t5 V

    ) [6 c: D) f% e7 g" Q+ w: K1 |基于生成模型的方法:生成对抗网络(GAN)和变分自编码器(VAE)等生成模型可以用来学习数据的潜在分布,并生成新的数据样本。这些方法可以帮助模型探索和理解数据的多样性,从而发现新的类别。
    3 ]+ s) q8 Z. C/ D8 x3 [
    / f( ^! R- J% @- G1 z2 D; b5 w通过这些方法,模型能够从数据中挖掘出潜在的新模式,实现对未知类别的识别和学习。" J+ n3 u* K8 H& t$ I" i8 a

    : T+ m! z9 N2 m0 j2 w2 ^类别增量学习
    5 y. V- e( Y8 {# j" T) e3 G最后,类别增量学习则是OWL的一个关键组成部分,它允许模型在保持对旧类别知识的记忆的同时,学习新的类别。这在AI聊天机器人中非常重要,它们需要在与用户的对话中不断学习新话题,同时不忘旧有的对话模式。类别增量学习面临的挑战是“灾难性遗忘”,即在学习新知识时忘记旧知识。解决这个问题的策略包括:
    - E9 i8 \* Y* O# P# t
      H; Z4 |4 O/ X! y- [3 ]基于正则化的方法:通过在损失函数中添加正则项来约束模型参数的变化,从而保持对旧类别的识别能力。* y& d6 ]4 F% C; I! D7 g% r) }2 }* w

    - _. s5 m2 c# R- q6 W* [% a基于记忆回放的方法:这些策略涉及存储旧类别的样本或其特征表示,并在训练新类别时重新使用这些记忆。8 y1 s8 D) p& p

    ' u* c3 v$ E% p  o) \基于特征适应的方法:这些方法通过调整模型的特征提取器来适应新类别,同时保持对旧类别的识别。例如,通过冻结部分网络层或使用可学习的查询来实现。. L- p. B( I: ]) w) ~$ J/ w1 Y

    3 Q- C! r1 j/ s4 N6 a这些策略确保模型在学习新知识时不会遗忘旧知识,实现了对新旧知识的平衡学习。
    ' H/ f+ f  b  Y3 T4 E! G' c( [( R$ w% w+ c
    OWL的实际应用
    + W- p# b, l/ e6 {, l现在,让我们看看OWL在现实中的应用:
    & V2 z% z+ A) w& L& N/ R' W  P+ N( |- t; c
    自动驾驶:车辆需要在不断变化的道路环境中做出快速决策。OWL技术让车辆在遇到未知物体时能安全停车或减速,同时学习新的交通模式。例如,车辆可以通过OWL技术识别出新的道路标志或路障,确保行驶安全。
    ! r2 w+ A2 B; m' ?2 [4 D+ p/ [0 q8 p' @
    医疗诊断:OWL使诊断系统能识别新出现的疾病,同时保持对已知疾病的诊断能力。这在面对如COVID-19等新型疾病时尤其重要。通过OWL,诊断系统能够在新疾病出现时快速学习其特征,提供准确的诊断。# K8 f' a2 _( m) }- i
    6 w4 d7 D+ ^  B( x7 e6 I
    AI聊天机器人:聊天机器人需要理解和回应各种问题,包括那些超出其训练数据的问题。OWL技术让它们在面对新话题时也能自如应对。例如,当用户提问一些新出现的热点话题时,聊天机器人可以通过OWL技术快速学习并给出合理的回答。- E+ {0 g4 P: ?# u

    * W: T$ O: Q7 Q未来展望. M1 G& q/ ~7 o# _
    未来,OWL的发展方向很令人兴奋:2 e  t+ U3 k' ^2 w1 a5 D" P2 u! e
    & x# F* R5 P- p  u/ |
    构建通用OWL框架:我们希望能有一个统一的框架,能够处理所有OWL的关键任务。这种框架将利用大模型的能力,将复杂任务分解为更小的子任务,然后高效地处理。
    % ]; x- k+ m; h# i
    / Z# S7 W$ S. y3 Y! J% {结构化数据与OWL的结合:OWL不仅仅应用于图像或文本,还可以处理结构化数据,帮助我们更好地分析和理解数据中的关系和模式。例如,在金融领域,OWL可以帮助识别新的交易模式或欺诈行为。- O3 _! u* N" l: }0 x: O
    % @+ M( q! a* p
    与强化学习结合:通过结合强化学习(Reinforcement Learning),OWL模型可以更好地在动态环境中做出决策,适应不断变化的需求。9 M: C# P2 I# b0 s; y# u
    3 e1 i: ~& r+ m' `8 e* N
    多模态学习:OWL可以扩展到多模态学习,处理文本、图像、音频等多种数据类型,实现更全面的理解和学习。
    ) y" Q; }! V* l5 l3 S2 g+ O2 t/ ]2 I1 @
    总之,开放世界机器学习为我们提供了一个更加智能、适应性强的人工智能系统的蓝图。随着技术的进步,我们也许可以期待在更多领域看到OWL的实际应用。* R' J" B7 L5 j6 _/ R# ~: d3 R

    1 y; C+ D$ P3 S1 y5 l; Q原文链接

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  • TA的每日心情
    开心
    2020-1-2 23:51
  • 签到天数: 2 天

    [LV.1]炼气

    沙发
    发表于 2024-11-29 12:31:27 | 只看该作者
    / Z+ q0 W% {% A& ]* X' j
    深入浅出,学习了7 a) I2 m, t/ o* m5 _

    4 b6 ]0 U$ w" U9 F
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